这篇文档属于类型a，是一篇关于全球气候模型不确定性量化的原创研究论文。以下是针对该研究的学术报告：

主要作者及发表信息

本研究由M. Yoshioka（英国利兹大学地球与环境学院）领衔，联合来自英国利兹大学、埃克塞特大学、牛津大学、英国气象局哈德利中心等机构的20余位学者共同完成，发表于Journal of Advances in Modeling Earth Systems（2019年11月22日在线发表），论文标题为《Ensembles of global climate model variants designed for the quantification and constraint of uncertainty in aerosols and their radiative forcing》。

学术背景

研究领域：气候建模与气溶胶辐射强迫（aerosol radiative forcing）的不确定性量化。
研究动机：气溶胶通过散射/吸收太阳辐射和调节云特性影响地球能量平衡，但其辐射强迫的估算长期存在显著不确定性（IPCC报告显示范围达−2.0至0 W/m²），限制了气候变化的归因和预测可靠性。传统多模型比较（multimodel intercomparison）因模型结构差异难以解析不确定性来源，而单一模型的参数扰动集合（perturbed parameter ensemble, PPE）可系统性量化参数不确定性。
研究目标：
1. 设计两个全球气候模型（HadGEM3-UKCA）的PPE，分别聚焦气溶胶状态不确定性（AER PPE）和气溶胶-大气耦合不确定性（AER-ATM PPE）；
2. 分析气溶胶辐射强迫（RF）与有效辐射强迫（ERF）的主要不确定性来源；
3. 通过高密度参数采样（各约200次模拟）提供统计稳健的分析框架。

研究流程与方法

1. 模型设计与参数扰动

• 基础模型：采用HadGEM3-UKCA全球气候模型，水平分辨率1.25°×1.875°，85层垂直网格，包含气溶胶微物理（GLOMAP-mode）与化学模块（UKCA）。
  
• 改进模块：
  
  • 气溶胶活化（cloud droplet activation）改用κ-Köhler理论；
    
  • 新增混合相云（mixed-phase clouds）中气溶胶清除的参数化（cloud_ice_thresh）；
    
  • 沙尘（dust）从分档方案迁移至模态方案以模拟与其他气溶胶的相互作用。
    
• 参数扰动：
  
  • AER PPE：扰动26个气溶胶相关参数（如排放通量、成核速率、干湿沉降效率等），通过专家评估（expert elicitation）确定梯形概率分布；
    
  • AER-ATM PPE：额外扰动9个大气物理参数（如云微物理、对流方案等），共27个参数。
    

2. 模拟实验设置

• 时间与边界条件：
  
  • AER PPE模拟工业革命前（1850年）和现代（2008年）大气，采用气象场 nudging（向ERA-Interim再分析数据松弛）以抑制内部变率；
    
  • AER-ATM PPE增加1978年、1998年模拟，允许边界层快速调整（rapid adjustments）。
    
• 计算规模：每个PPE包含约200次全年模拟，输出160 TB数据（月均/日均/3小时分辨率）。
  

3. 数据分析方法

• 高斯过程模拟器（Gaussian process emulator）：基于PPE输出构建统计模型，生成百万级参数组合的模拟结果，用于敏感性分析；
  
• 不确定性分解：采用扩展FAST方法（extended-FAST）量化各参数对RF/ERF方差的贡献。
  

主要结果

1. 全球平均辐射强迫

• AER PPE：气溶胶RF均值为−2.12 W/m²（90%可信区间：−2.76至−1.47 W/m²），比IPCC AR5（−0.90 W/m²）更强；
  
• AER-ATM PPE：ERF均值为−1.45 W/m²（−2.07至−0.81 W/m²），其中云相互作用（ERFaci）占主导（−1.42 W/m²），而气溶胶-辐射相互作用（ERFari）接近零（−0.03 W/m²）。
  
• 关键发现：单模型参数不确定性范围与多模型比较（如AeroCom II）相当，表明结构差异可能被高估。
  

2. 空间分布特征

• 气溶胶浓度：AER-ATM因SO₂排放设置错误导致人为气溶胶浓度偏低，但海洋区域因风场扰动天然气溶胶（如海盐）浓度更高；
  
• 强迫热点：东亚和北大西洋RF峰值达−5至−10 W/m²，显著强于多模型均值（−1 W/m²），反映基础模型对气溶胶的高敏感性。
  

3. 参数敏感性

• 主导参数：
  
  • AER PPE中，二次有机气溶胶（SOA）产率（bvoc_soa）和云pH值（cloud_ph）对RF方差贡献最大；
    
  • AER-ATM PPE中，云滴活化垂直速度（sig_w）和边界层解耦阈值（dec_thres_cld）显著影响ERF。
    

结论与价值

科学意义：
1. 首次在耦合气候模型中系统性量化气溶胶参数与物理过程的联合不确定性，揭示ERFaci是总不确定性的主要来源；
2. 提出通过观测约束（如CCN、AOD站点数据）可缩小参数不确定性范围（如东亚地区AOD标准偏差达0.5）；
3. 模型改进方向：需优化SOA生成、云微物理及沙尘光学属性的参数化。

应用价值：
- 为IPCC评估报告提供单模型不确定性基准；
- 数据集可支持后续研究（如区域气候效应、观测同化）。

研究亮点

1. 方法创新：结合PPE与高斯过程模拟器，实现高维参数空间的高效采样；
   
2. 跨尺度耦合：首次在气候模型中同时扰动气溶胶与大气物理参数，解析快速调整效应；
   
3. 数据开放性：所有模拟数据公开（160 TB），支持社区验证与拓展。
   

其他价值

• 揭示了模型结构缺陷（如北极气溶胶低估）与参数化改进空间（如混合相云清除）；
  
• 为未来卫星任务（如气溶胶-云相互作用观测）提供优先靶区建议。